EP0075032A1 - Verfahren zur interferometrischen Oberflächentopographie - Google Patents

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EP0075032A1
EP0075032A1 EP81107336A EP81107336A EP0075032A1 EP 0075032 A1 EP0075032 A1 EP 0075032A1 EP 81107336 A EP81107336 A EP 81107336A EP 81107336 A EP81107336 A EP 81107336A EP 0075032 A1 EP0075032 A1 EP 0075032A1
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EP
European Patent Office
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measuring
incidence
focused
examined
bundles
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EP81107336A
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English (en)
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EP0075032B1 (de
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Günter Makosch
Franz Dr. Schedewie
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IBM Deutschland GmbH
International Business Machines Corp
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IBM Deutschland GmbH
International Business Machines Corp
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Priority to DE8181107336T priority patent/DE3173451D1/de
Priority to US06/374,135 priority patent/US4498771A/en
Priority to JP57125198A priority patent/JPS5862507A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

Definitions

  • the invention relates to a method for interferometric determination of the topography of surfaces according to the preamble of the main claim and devices for performing the method.
  • Interferometric methods are known for measurements with high accuracy, in which the phase difference (the path difference) between a measuring and a reference beam is evaluated.
  • a contour line image of the entire measuring surface can be generated (as in the German patent DE-PS 26 36 498), or the measuring beam scans it to be examined appropriate point on the surface at points (as in European patent application O 021 148).
  • these known interferometric methods however, it must be ensured that the phase relationship between the two beams used is not disturbed. In the case of strongly scattering surfaces, in particular those in which the average surface roughness comes in the range of the wavelength used, this requirement is no longer met.
  • the present invention therefore has the task of specifying an interferometric measuring method of the type mentioned at the outset, with which the topography of rough surfaces can also be measured precisely; In addition, facilities are to be specified with which this method can be carried out with little effort.
  • the interference method with grazing beam incidence proposed here can be used for both strongly scattering and reflecting surfaces. It can be used for a variety of measurement problems: To determine the topography, the surface is lengthwise point by point sampled properly selected lines, the temporal change of an O ber inhabitticians for determining the temporal course of the stationary measuring signal is registered. The available measuring range can be selected to be large or small by slight changes in the beam path; for small measuring ranges, the resolution is in the submicron range. Of particular importance is an embodiment of the proposed method for contactless in-situ measurement of etching rates during dry etching. The measurement signal is evaluated with high accuracy using a known phase compensation method.
  • the measuring method proposed here is based on the use of a measuring beam which is directed onto the (rough) measuring surface at a large angle of incidence (grazing probing). At angles of incidence of the order of 80 °, the rough measuring surface for the measuring beam acts like a flat reflecting surface which is defined by the highest elevations of the rough surface. This results in a well-defined phase relationship between the individual points of the measuring beam and thus also between the measuring beam and the reference beam; the latter can be generated in different ways depending on the application.
  • FIG. 1A shows an embodiment of an interferometric measuring head which works according to the principle just described.
  • the polarized output beam of a laser comes from the left into a converging lens 1 and passes through a deflecting mirror 2 into a birefringent crystal 3, e.g. B. a Wollaston prism, where it is split into two bundles, a measuring beam 5 and a reference beam 6, both of which pass through an X / 4 plate 4. After two reflections at the deflecting mirrors 7a and 7b, the reference beam 6 is again directed into the birefringent crystal via the X / 4 plate.
  • a birefringent crystal e.g. B. a Wollaston prism
  • the measuring beam del 5 falls after reflection on the deflecting mirror 8a at the angle of incidence ⁇ onto the surface 9 to be examined, on which it is regularly reflected due to the oblique incidence and also returns to the birefringent crystal 3 via the deflecting mirror 8b and the ⁇ / 4 plate. Both beams thus pass through the X / 4 plate 4 twice, so that their direction of polarization is rotated by 90 °; the role of ordinary and extraordinary rays in the birefringent crystal 3 is thus reversed for the reflected beams with respect to the input beams, and both reflected beams leave the birefringent crystal 3 as collinear rays with polarization oriented perpendicular to each other. After reflection on a further deflecting mirror 10, the reflected rays are collimated in the converging lens 11 and can be fed to an evaluation device which is sensitive to phase differences in mutually perpendicularly polarized partial bundles.
  • the refractive power of the lenses 1 and 11 is chosen so that the focal point of the measuring beam lies on the surface of the sample 9.
  • the optical path length of the reference beam 6 should be chosen to be approximately the same size as that of the measurement beam 5.
  • ⁇ hO is approximately 2 ⁇ ; Height differences in this area can thus be clearly determined, further height differences are only determined up to multiples of ⁇ hO (due to the 2 ⁇ periodicity of ⁇ m in equation (1)).
  • FIG. 2A shows an interferometric measuring head which also works with grazing incidence of the measuring beam, but in which the unambiguous measuring range is considerably expanded compared to the measuring head according to FIG. 1.
  • This expansion is achieved by also directing the reference beam 6 at a large angle of incidence and focused on the point of the measuring surface 9 which is acted upon by the measuring beam 5.
  • the two bundles 5 and 6 are formed by splitting an input bundle into a birefringent crystal 3, the refractive power of the input lens 1 here is selected so that its focal point lies in the birefringent crystal 3.
  • the divergent output bundles of the birefringent plate 3 pass through an X / 4 plate 4 and are focused on the sample 9 with a lens 12 via a common deflecting mirror 8a.
  • the reflected light arrives via a deflecting mirror 8b, the lens 12 and the ⁇ / 4 plate 4 again in the birefringent crystal 3, where both bundles are combined in a known manner to form a common exit bundle which is guided via deflecting mirror 10 to the exit lens 11, which it leaves as a parallel bundle with perpendicularly polarized partial bundles.
  • FIG. 2B The beam path in the measuring head according to FIG. 2A is shown with FIG. 2B for two successive measurements in which the measuring surface has undergone a change in height by Ah.
  • position II the phase difference between reference beam R'II and measuring beam M'II compared to the conditions for reflection in position I is given by:
  • phase-sensitive evaluation method in which the phase difference between two mutually perpendicularly polarized, collinear partial beams can be measured with very high precision using electro-optical compensation. Details of this measuring method are described, for example, in German Offenlegungsschrift 28 51 750.
  • FIG. 3A shows a complete measuring arrangement with this phase-sensitive evaluation and a measuring head according to FIG. 1A.
  • the polarized output bundle of a laser 30 is split in an electro-optical modulator 31 into two partial beams polarized perpendicular to one another and the phase difference thereof is changed periodically with an alternating voltage applied to the electro-optical modulator 31.
  • the output bundle with the partial bundles polarized perpendicular to one another reaches a polarizer 32.
  • the intensity of the interfering bundles is measured with a detector 33; the phase change caused by changes in the height of the object 9 can be determined with great accuracy from the position of the zero points of the output signal, which correspond to the compensation times.
  • Fig. 3B shows the output signal of Phasenmeßmethode with a measuring head according to Figure 1A for the three step heights, which are all greater than the maximum measurement range ⁇ / 2cos ⁇ the Anor d- voltage.
  • the strictly linear relationship between the output signal and the change in height within the unambiguous measuring range ⁇ / 2cos ⁇ is clear from this. If the height of the measuring surface changes slowly beyond the unambiguous measuring range, the change in height can be determined by determining the number of sawtooth jumps in the measuring signal. With abrupt changes in height, e.g. B. in vertical steps, this method fails, so that when the clear measuring range is exceeded, the approximate step height must be determined with another method, for example by mechanical scanning with a measuring needle (in FIG. 3, these approximate values are given at the respective step heights) .
  • the interferometric measuring method with grazing incidence proposed here is also particularly suitable for in-situ measurement of etching rates on substances which are accommodated in a reaction vessel and which are to be measured without direct contact.
  • the focused measuring beam is directed in a fixed position onto a selected point on the etched surface and the change in phase difference with respect to a stationary reference beam is determined.
  • FIG. 4A shows an arrangement for determining etching speeds, which works on the same principle as the measuring head in FIG. 1A.
  • the output beam of a laser 40 is in an electro-optical modulator 41 in split two perpendicularly polarized partial beams, the relative phase difference of which is varied periodically by an alternating voltage.
  • Both partial beams then pass through a converging lens 42 and are split up in an electro-optical crystal 43 (e.g. Rochon prism) before they enter an optical window 44 into a reaction vessel 45 in which the surface of a sample 46 is to be removed, for example through reactive ion etching.
  • the measuring beam 47 falls at an angle 0 on the etched surface and is focused there (due to lens 42).
  • second Rochon prism electro-optical crystal 49
  • FIG. 4B shows a further arrangement for determining etching rates, which corresponds functionally to the measuring head in FIG. 2A.
  • the output bundle of a laser 400 is split in the electro-optical crystal 401 in a known manner and the sub-bundles are focused with converging lens 402 in the Wollaston prism 403, where the sub-bundles are spatially split.
  • the bundles emerging divergingly from the Wollaston prism 403 are focused with converging lens 404 on the surface of the etched sample 409, which is located in a reaction vessel 406.
  • the angles of incidence of both bundles are large (80 ° and above) and differ only slightly.
  • Measurement bundle 407 and reference bundle 408 enter the reaction vessel 406 via the optical window 405 and exit therefrom through the optical window 410.
  • both reflected bundles are focused on the Wollaston prism 412 and those emerging therefrom divergent bundle collimated in converging lens 413.
  • the analyzer 414 After passing through the analyzer 414, the resulting signal indicating the respective phase difference is generated in the photodetector 415.
  • the mean etching depth of a substrate which has a considerable roughness can be determined with a very high spatial resolution (size of the focused laser light spot approximately 0.1 mm) and high measurement resolution (10 -2 ⁇ m and better) Tip to tip).

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Abstract

Zur punktweisen interferometrischen Ausmessung von Oberflächen (9), die längs Linien abgetastet werden, oder die einem Bearbeitungsprozeß (z. B. Ätzen) unterworfen sind, wird ein fokussiertes Laserstrahlbündel (5) unter schiefer Inzidenz als Meßstrahl auf den jeweiligen Meßpunkt gerichtet. Die jeweilige Höhe des Meßpunkts bestimmt den Gangunterschied (Phasendifferenz) zwischen Meßstrahl (5) und Referenzstrahl (6), der in geeigneter Weise vom Eingangsstrahl abgetrennt wurde. Die schiefe Inzidenz (Einfallswinkel ≳ 80°) ermöglicht es, auch sehr rauhe Oberflächen interferometrisch auszumessen, die bei senkrechter Inzidenz infolge der dann auftretenden Phasenstörung für interferometrische Messungen nicht geeignet wären. Der eindeutige Meßbereich dieses Verfahrens kann bei etwas geringerer Meßauflösung beträchlicht erweitert werden, wenn nicht nur das fokussierte Meßbündel (5), sondern auch das Referenzbündel (6) unter schiefem Einfallswinkel (der sich nur wenig von dem des Meßbündels unterscheidet) auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird. Die Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens verwenden zur Erzeugung von Meß- und Referenzbündeln sowie zu deren Rekombination nach der Reflexion doppelbrechende Elemente, beispielsweise Wollastonprismen (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung der Topographie von Oberflächen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
  • Viele moderne Herstellverfahren, insbesondere in der Halbleitertechnik, verlangen die Einhaltung sehr enger Toleranzgrenzen für die zu bearbeitenden Oberflächen; die in diesem Zusammenhang interessierenden Parameter sind beispielsweise die Ebenheit der Oberfläche, deren positive oder negative Steigungen, die Lage von Maxima und Minima usw. Neben der statischen Bestimmung der Oberflächentopographie ist es zur Prozeßsteuerung auch notwendig, bei einer gerade bearbeiteten Oberfläche (beispielsweise beim Ätzen) die zeitliche Änderung der Oberfläche zu überwachen. Wünschenswert ist außerdem ein möglichst hoher Meßbereich, da teilweise Genauigkeiten von Mikrometern und darunter gefordert werden, andererseits Bereiche bis zu einigen 100 um überstrichen werden sollen.
  • Für Messungen mit hoher Genauigkeit sind interferometrische Verfahren bekannt, bei denen die Phasendifferenz (der Gangunterschied) zwischen einem Meß- und einem Referenzstrahlenbündel ausgewertet wird. Mit diesen Verfahren kann beispielsweise ein Höhenschichtlinienbild der gesamten Meßfläche erzeugt werden (wie in der deutschen Patentschrift DE-PS 26 36 498), oder der Meßstrahl tastet die zu untersuchende Stelle der Oberfläche punktweise an (wie in der europäischen Patentanmeldung O 021 148). Bei diesen bekannten interferometrischen Verfahren muß allerdings sichergestellt sein, daß die Phasenbeziehung zwischen den beiden verwendeten Strahlenbündeln nicht gestört wird. Bei stark streuenden Oberflächen, insbesondere solchen, bei denen die mittlere Oberflächenrauhigkeit in den Bereich der verwendeten Wellenlänge kommt, ist diese Voraussetzung jedoch nicht mehr erfüllt. Mit Infrarotbeleuchtung könnte zwar der Anwendungsbereich dieser Verfahren erweitert werden, allerdings auf Kosten der bekannten Schwierigkeiten, die sich bei der Optik, der Justierung und der Auswertung interferometrischer Verfahren im Infrarotbereich ergeben. Für die praktische Anwendung von interferometrischen Verfahren ist es außerdem sehr wünschenswert, deren an sich begrenzten Meßbereich zu vergrößern, um beispielsweise auch Stufenhöhen von einigen 10 µm auf rauhen Oberflächen messen zu können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein interferometrisches Meßverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auch die Topographie rauher Oberflächen genau gemessen werden kann; außerdem sollen Einrichtungen angegeben werden, mit denen dieses Verfahren ohne großen Auswand durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen 1 und 5 gekennzeichneten Erfindungen gelöst; Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Das hier vorgeschlagene Interferenzverfahren mit streifendem Strahleinfall kann sowohl für stark streuende als auch reflektierende Oberflächen verwendet werden. Es läßt sich für eine Vielzahl von Meßproblemen einsetzen: Zur Bestimmung der Topographie wird die Oberfläche punktweise längs geeignet gewählter Linien abgetastet, zur Bestimmung der zeitlichen Änderung eines Oberflächenpunkts wird der zeitliche Verlauf des ortsfesten Meßsignals registriert. Durch geringfügige Änderungen des Strahlengangs kann der zur Verfügung stehende Meßbereich groß oder klein gewählt werden; die Auflösung liegt bei kleinen Meßbereichen im Submikronbereich. Von besonderer Bedeutung ist eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens zur kontaktlosen In-Situ-Messung von Ätzraten beim Trockenätzen. Die Auswertung des Meßsignals erfolgt mit hoher Genauigkeit mit einem bekannten Phasenkompensationsverfahren.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1A den prinzipiellen Aufbau eines interferometrischen Meßkopfs mit streifender Inzidenz des Meßstrahlenbündels
    • Fig. 1B eine schematische Darstellung des Strahlengangs im Meßkopf nach Fig. 1A
    • Fig. 2A eine Ausgestaltung des Meßkopfs nach Fig. 1A mit erweitertem Meßbereich
    • Fig. 2B eine schematische Darstellung des Strahlengangs im Meßkopf nach Fig. 2A
    • Fig. 3A den schematischen Aufbau einer vollständigen Einrichtung zu interferometrischen Messungen an rauhen Oberflächen mit einem Meßkopf nach Fig. 1A
    • Fig. 3B die Ausgangssignale der Meßeinrichtung bei der Bestimmung verschiedener Stufenhöhen
    • Fig. 4A den schematischen Aufbau einer interferometrischen Anordnung zur In-Situ-Bestimmung von Ätzraten
    • Fig. 4B den schematischen Aufbau einer weiteren interferometrischen Einrichtung zur In-Situ- Ätzratenbestimmung.
  • Das hier vorgeschlagene Meßverfahren beruht auf der Verwendung eines Meßstrahlenbündels, das unter einem großen Einfallswinkel (streifende Antastung) auf die (rauhe) Meßfläche gerichtet wird. Bei Einfallswinkeln in der Größenordnung von 80° wirkt die rauhe Meßfläche für den Meßstrahl wie eine ebene reflektierende Fläche, die durch die höchsten Erhebungen der rauhen Fläche definiert wird. Auf diese Weise ergibt sich eine wohl-definierte Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Punkten des Meßstrahlenbündels und damit auch zwischen Meßstrahlenbündel und Referenzstrahlenbündel; das letztere kann je nach Anwendungszweck in verschiedener Weise erzeugt werden.
  • Fig. 1A zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Meßkopfes, der nach dem eben beschriebenen Prinzip arbeitet. Das polarisierte Ausgangsbündel eines Lasers tritt von links kommend in eine Sammellinse 1 und gelangt über einen Umlenkspiegel 2 in einen doppelbrechenden Kristall 3, z. B. ein Wollastonprisma, wo es in zwei Bündel - aufgespalten wird, ein Meßstrahlbündel 5 und ein Referenzstrahlbündel 6, die beide ein X/4-Plättchen 4 durchlaufen. Das Referenzstrahlbündel 6 wird nach zwei Reflexionen an den Umlenkspiegeln 7a und 7b wieder über die X/4-Platte in den doppelbrechenden Kristall gelenkt. Das Meßstrahlbündel 5 fällt nach Reflexion am Umlenkspiegel 8a unter dem Einfallswinkel θ auf die zu untersuchende Oberfläche 9, an der es infolge der schiefen Inzidenz regulär reflektiert wird und über den Umlenkspiegel 8b und die λ/4-Platte ebenfalls zum doppelbrechenden Kristall 3 zurückgelangt. Beide Strahlen durchlaufen somit zweimal das X/4-Plättchen 4, so daß ihre Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird; die Rolle von ordentlichem und außerordentlichem Strahl im doppelbrechenden Kristall 3 ist somit für die reflektierten Bündel in Bezug auf die Eingangsbündel vertauscht, und beide reflektierten Bündel verlassen den doppelbrechenden Kristall 3 als kollineare Strahlen mit senkrecht zueinander orientierter Polarisation. Nach Reflexion an einem weiteren Umlenkspiegel 10 werden die reflektierten Strahlen in der Sammellinse 11 kollimiert und können einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die für Phasenunterschiede in zueinander senkrecht polarisierten Teilbündeln empfindlich ist.
  • Die Brechkraft der Linse 1 und 11 wird so gewählt, daß der Brennpunkt des Meßstrahlenbündels auf der Oberfläche der Probe 9 liegt. Die optische Weglänge des Referenzbündels 6 ist aus Fokussierungs- und Kohärenzgründen ungefähr gleich groß zu wählen wie die des Meßbündels 5.
  • Zur punktweisen Aufnahme eines Oberflächenprofils wird die Meßfläche 9 unter dem fokussierten Meßbündel 5 verschoben, beispielsweise in einer rasterförmigen Bewegung. Höhenänderungen der Oberfläche machen sich dabei in einer Änderung der Phasendifferenz zwischen beiden Strahlen bemerkbar. Entsprechend der Darstellung in Fig. 1B bewirkt eine Höhenänderung Δh der reflektierenden Fläche von Stellung I zu Stellung II eine Phasendifferenz der reflektierten Strahlen RI bzw. RII bezüglich des Referenzstrahls um den Wert
    Figure imgb0001
    • wobei 0 = Einfallswinkel des Meßstrahls,
    • λ = Lichtwellenlänge.
  • Die Phasendifferenz zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilbündeln, die Linse 11 verlassen, kann am einfachsten visuell beobachtet werden, wenn hinter Linse 11 ein Polarisator mit einem Azimuthwinkel von 45° zu den Polarisationsrichtungen angebracht wird; die vom Polarisator durchgelassenen Anteile beider Teilbündel interferieren miteinander und erzeugen ein Ausgangssignal, dessen Intensität von der jeweiligen Höhendifferenz abhängt. Bei einer kontinuierlichen Höhenänderung bestimmt sich die Höhendifferenz ΔhO, für die gerade zwei aufeinanderfolgende Interferenzminima auftreten, zu
  • Figure imgb0002
    Für die hier betrachteten großen Einfallswinkel liegt der Wert ΔhO bei ungefähr 2 µ; Höhendifferenzen in diesem Bereich können somit eindeutig bestimmt werden, darüber hinausgehende Höhendifferenzen sind nur bis auf Vielfache von ΔhO bestimmt (infolge der 2π Periodizität von φm in Gleichung (1)).
  • In Fig. 2A ist ein interferometrischer Meßkopf dargestellt, der ebenfalls mit streifender Inzidenz des Meßstrahlenbündels arbeitet, bei dem aber der eindeutige Meßbereich im Vergleich zum Meßkopf nach Fig. 1 beträchtlich erweitert ist. Diese Erweiterung wird erreicht, indem auch das Referenzstrahlenbündel 6 unter einem großen Einfallswinkel und fokussiert auf den Punkt der Meßoberfläche 9 gerichtet wird, die vom Meßstrahlenbündel 5 beaufschlagt ist. Die beiden Bündel 5 und 6 entstehen wie im Beispiel von Fig. 1A durch Aufspaltung eines Eingangsbündels in einem doppelbrechenden Kristall 3, wobei hier die Brechkraft der Eingangslinse 1 so gewählt ist, daß deren Brennpunkt im doppelbrechenden Kristall 3 liegt. Die divergenten Ausgangsbündel der doppelbrechenden Platte 3 durchlaufen eine X/4-Platte 4 und werden mit einer Linse 12 über einen gemeinsamen Umlenkspiegel 8a auf der Probe 9 fokussiert. Das reflektierte Licht gelangt über einen Umlenkspiegel 8b, die Linse 12 und die λ/4-Platte 4 wieder in den doppelbrechenden Kristall 3, wo in bekannter Weise beide Bündel zu einem gemeinsamen Ausgangsbündel vereinigt werden, das über Umlenkspiegel 10 zur Ausgangslinse 11 geführt wird, die es als paralleles Bündel mit senkrecht zueinander polarisierten Teilbündeln verläßt.
  • Die Einfallswinkel 01 und 02 der beiden Bündel sind beide so groß gewählt, daß auch an einer rauhen Oberfläche 9 eine reguläre Reflexion entsteht; der Unterschied zwischen beiden Einfallswinkeln liegt in der Größenordnung eines oder einiger weniger Grad. In einem praktischen Beispiel betrug 01 = 80°, 02 = 80,92°.
  • Der Strahlverlauf im Meßkopf nach Fig. 2A ist mit Fig. 2B für zwei aufeinanderfolgende Messungen dargestellt, bei denen die Meßfläche eine Höhenänderung um Ah erfahren hat. In der Stellung II ist die Phasendifferenz zwischen Referenzstrahl R'II und Meßstrahl M'II gegenüber den Verhältnissen bei Reflexion in Stellung I gegeben durch:
    Figure imgb0003
  • Die Bedingung φm < 2π, die erfüllt werden muß, wenn der überstrichene Höhenbereich Δh eindeutig meßbar sein soll, ist in diesem Fall gleichbedeutend mit
    Figure imgb0004
    womit sich der Eindeutigkeitsbereich ΔhO bei den obengenannten Werten für 01, 02 zu ungefähr 20 µm ergibt. Bei der Abtastung der Oberfläche können somit Höhenänderungen oder Stufen bis zu 20 µm eindeutig bestimmt werden.
  • Neben der oben beschriebenen Auswertung der Phasendifferenz im Ausgangsstrahlenbündel mit Hilfe eines Polarisators steht eine phasenempfindliche Auswertemethode zur Vefügung, bei der die Phasendifferenz zweier senkrecht zueinander polarisierter, kollinearer Teilstrahlen durch elektrooptische Kompensation mit sehr großer Genauigkeit gemessen werden kann. Einzelheiten dieses Meßverfahrens sind beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 28 51 750 beschrieben.
  • Fig. 3Azeigt eine vollständige Meßanordnung mit dieser phasenempfindlichen Auswertung und einem Meßkopf nach Fig. 1A. Das polarisierte Ausgangsbündel eines Lasers 30 wird in einem elektrooptischen Modulator 31 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten und deren Phasendifferenz mit einer an den elektrooptischen Modulator 31 angelegten Wechselspannung periodisch verändert. Nach Durchlaufen des Meßkopfs nach Fig. 1 (die Bezugszeichen in Fig. 3 entsprechen denen in Fig. 1), gelangt das Ausgangsbündel mit den senkrecht zueinander polarisierten Teilbündeln in einen Polarisator 32. Die Intensität der miteinander interferierenden Bündel wird mit einem Detektor 33 gemessen; aus der Lage der Nullstellen des Ausgangssignals, die den Kompensationszeitpunkten entsprechen, kann die durch Höhenänderungen des Objekts 9 verursachte Phasenänderung mit sehr großer Genauigkeit bestimmt werden. Eine Phasenmeßauflösung von 6 x 10-3 π ist mit diesem bekannten Verfahren möglich; damit ergibt sich für den Meßkopf nach Fig. 1 mit einem Einfallswinkel von 800 und einer Wellenlänge X = 0,6328 µm eine Meßauflösung von Ah = 5 x 10-3 µm, für den Meßkopf nach Fig. 2A bei gleichen Parametern eine Meßauflösung von Δh = 6 x 10 µm.
  • Fig. 3B zeigt das Ausgangssignal der Phasenmeßmethode mit einem Meßkopf nach Fig. 1A für drei Stufenhöhen, die alle größer sind als der maximale Meßbereich λ/2cosθ der Anord- nung; der streng lineare Zusammenhang zwischen Ausgangssignal und Höhenänderung innerhalb des eindeutigen Meßbereichs λ/2cosθ geht daraus klar hervor. Bei einer langsamen Höhenänderung der Meßfläche über den eindeutigen Meßbereich hinaus kann die Höhenänderung festgestellt werden, indem die Anzahl der Sägezahnsprünge im Meßsignal ermittelt wird. Bei abrupten Änderungen der Höhe, z. B. bei senkrechten Stufen, versagt diese Methode, so daß bei Überschreiten des eindeutigen Meßbereichs die ungefähre Stufenhöhe mit einer anderen Methode ermittelt werden muß, beispielsweise durch mechanisches Abtasten mit einer Meßnadel (in Fig. 3 sind diese ungefähren Werte bei den jeweiligen Stufenhöhen angegeben).
  • Das hier vorgeschlagene interferometrische Meßverfahren mit streifender Inzidenz eignet sich außerdem besonders gut zur In-Situ-Messung von Ätzraten an Stoffen, die in einem Reaktionsgefäß untergebracht sind, und die ohne direkten Kontakt gemessen werden sollen. In diesem Fall wird das fokussierte Meßbündel ortsfest auf einen ausgewählten Punkt der geätzten Oberfläche gerichtet und die zeitliche Änderung der Phasendifferenz zu einem stationären Referenzstrahl bestimmt.
  • Fig. 4A zeigt eine Anordnung zur Bestimmung von Ätzgeschwindigkeiten, die nach dem gleichen Prinzip wie der Meßkopf in Fig. 1A arbeitet. Das Ausgangsbündel eines Lasers 40 wird in einem elektrooptischen Modulator 41 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten, deren relative Phasendifferenz durch eine Wechselspannung periodisch variiert wird. Beide Teilstrahlen durchlaufen anschließend eine Sammellinse 42 und werden in einem elektrooptischen Kristall 43 (z. B. Rochon-Prisma) aufgespalten, bevor sie durch ein optisches Fenster 44 in ein Reaktionsgefäß 45 eintreten, in dem die Oberfläche einer Probe 46 abgetragen werden soll, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen. Der Meßstrahl 47 fällt unter einem Winkel 0 auf die geätzte Oberfläche und wird dort fokussiert (infolge Linse 42). Das regulär reflektierte Licht des Meßstrahls 47 gelangt zusammen mit dem geradlinig das Reaktionsgefäß 45 durchsetzenden Referenzstrahl 53 durch das optische Fenster 48 zu einem weiteren elektrooptischen Kristall 49 (zweites Rochon-Prisma), in dem beide Strahlenbündel rekombiniert werden. Nach Kollimation in Sammellinse 50 treten beide Bündel durch einen Polarisator 51 in einen phasenempfindlichen Detektor 52 ein.
  • In Fig. 4B ist eine weitere Anordnung zur Bestimmung von Ätzraten dargestellt, die funktionell dem Meßkopf in Fig. 2A entspricht. Das Ausgangsbündel eines Lasers 400 wird im elektrooptischen Kristall 401 in bekannter Weise aufgespalten und die Teilbündel mit Sammellinse 402 im Wollastonprisma 403 fokussiert, wo eine räumliche Aufspaltung der Teilbündel erfolgt. Die aus dem Wollastonprisma 403 divergent austretenden Bündel werden mit Sammellinse 404 auf der Oberfläche der geätzten Probe 409 fokussiert, die sich in einem Reaktionsgefäß 406 befindet. Die Einfallswinkel beider Bündel sind groß (80° und darüber) und unterscheiden sich nur wenig. Meßbündel 407 und Referenzbündel 408 gelangen über das optische Fenster 405 in das Reaktionsgefäß 406 und treten durch das optische Fenster 410 daraus aus. In der Sammellinse 411 werden beide reflektierten Bündel-auf das Wollastonprisma 412 fokussiert und die daraus austretenden divergenten Bündel in Sammellinse 413 kollimiert. Nach Durchgang durch den Analysator 414 wird das entstehende, die jeweilige Phasendifferenz anzeigende Signal im Photodetektor 415 erzeugt..
  • Bei den Anordnungen zur Ätzratenbestimmung nach Fign. 4A und 4B muß sichergestellt sein, daß während der gesamten Messung keine unbeabsichtigten Relativverschiebungen zwischen Meß- und Referenzstrahl auftreten; in dieser Hinsicht ist die Anordnung nach Fig. 4B vorzuziehen, da dort Meß-und Referenzstrahl in gleicher Weise durch das Reaktionsgefäß geleitet werden. Zur Erhöhung der Meßstabilität können auch Regelsysteme eingesetzt werden, bei denen langsame Änderungen gemessen und das Ausgangssignal der interferometrischen Anordnung entsprechend kompensiert wird. Der Einfluß mechanischer Schwingungen kann beispielsweise durch mehrfach schnell hintereinander ausgeführte Messungen ausgeschaltet werden.
  • Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann mit sehr hoher Ortsauflösung (Größe des fokussierten Laserlichtflecks ungefähr 0,1 mm) und hoher Meßauflösung (10-2 µm und besser) die mittlere Ätztiefe eines Substrats bestimmt werden, das eine beträchtliche Rauhigkeit aufweist (bis zu 2 µm Spitze zu Spitze).

Claims (10)

1. Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Oberflächentopographie durch punktweises Antasten mit einem Meßstrahlenbündel,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßstrahlenbündel (5) auf die zu untersuchende Oberfläche (9) unter streifendem Einfallswinkel (θ≥80°) gerichtet und auf der Oberfläche fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Referenzstrahlenbündel (6) unter einem vom Einfallswinkel des Meßstrahlenbündels (5) geringfügig verschiedenen Einfallswinkel auf die zu untersuchende Oberfläche (9) gerichtet und im Brennpunkt des Meßstrahlenbündels fokussiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßstrahl (5) längs ausgewählter Linien über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird, um das Höhenprofil der Oberfläche längs dieser Linie aufzunehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßstrahl (5) auf einen ausgewählten Punkt der zu untersuchenden Oberfläche gerichtet wird, um dessen zeitliche Höhenänderung festzustellen.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisiertes konvergentes Strahlenbündel in einer doppelbrechenden Anordnung (Wollastonprisma 3) in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel (5, 6) aufgespalten wird, die beide über Umlenkspiegel (7a, 7b, 8a, 8b) und nach zweimaligem Durchlauf eines X/4-Plättchen (4) im doppelbrechenden Element (3) wieder zu einem Ausgangsstrahlenbündel vereinigt werden, wobei das Meßstrahlenbündel (5) mit streifender Inzidenz auf die zu untersuchende Oberfläche fokussiert und reflektiert wird, so daß die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilbündel eine für die Höhenlage der zu untersuchenden Oberfläche charakteristische Phasenverschiebung aufweisen.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein in ein doppelbrechendes Element (Wollastonprisma 3; Fig. 2) fokussiertes Strahlenbündel in zwei divergente Bündel aufgespalten wird, die nach Durchlaufen einer λ/4-Platte (4) und einer Sammellinse (5) am gleichen Punkt der zu untersuchenden Oberfläche (9) mit verschiedenen Einfallswinkeln (θ1, 02) fokussiert werden und daß die reflektierten divergenten Bündel nach erneutem Durchtritt durch die Sammellinse (5) und das X/4-Plättchen (4) im doppelbrechenden Element (3) in ein divergentes Bündel vereinigt werden, dessen zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel einen für die Höhenlage der zu untersuchenden Oberfläche charakteristische Phasendifferenz aufweisen.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Auswertung der Phasendifferenz der beiden senkrecht zueinander polarisierten Ausgangs-Teilbündel ein Polarisator (32) vorgesehen ist, dessen Azimuth unter 45° zur Polarisationsrichtung der beiden Teilbündel steht und daß die Intensität der vom Polarisator durchgelassenen Interferenzstrahlung gemessen wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der Phasendifferenz der beiden senkrecht zueinander polarisierten Ausgangs-Teilbündel das Eingangsbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel aufgespalten wird, deren Phasendifferenz durch Anlegen einer Wechselspannung an einen elektrooptischen Modulator (31) periodisch variiert wird.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung sich zeitlich ändernder Oberflächen (z. B. bei Ätzprozessen) das Ausgangsbündel eines Lasers (40) über eine Sammellinse (42) und ein doppelbrechendes Element (43) in zwei fokussierte Teilstrahlen (47, 53) aufgespalten wird, von denen der eine unter streifender Inzidenz auf die bearbeitete Oberfläche (46) gerichtet wird und nach Reflexion zusammen mit dem unbeeinflußten anderen Teilbündel in einem weiteren doppelbrechenden Element (49) in ein gemeinsames Ausgangsbündel mit zwei senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen wiedervereinigt wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung sich zeitlich ändernder Oberflächen (z. B. bei Ätzprozessen) das Ausgangsbündel eines Lasers (400) über eine Sammellinse (402) in ein doppelbrechendes Element (403) fokussiert und dort in zwei Teilbündel aufgespalten wird, die von einer weiteren Linse (404) auf der zu untersuchenden Oberfläche so fokussiert werden, daß beide Teilbündel unter schiefer Inzidenz und mit geringfügig verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen, um nach Reflexion von einer weiteren Sammellinse (406) in einem weiteren doppelbrechenden Element (407) in ein gemeinsames Ausgangsbündel rekombiniert zu werden.
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